DE102015221537A1 - Motor vehicle with a pressure tank - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Drucktank, in welchem ein gasförmiger für einen Energiewandler vorgesehener Energieträger, insbesondere Wasserstoff, der von einer Befüllstation gekühlt abgegeben wird, unter hohem Druck in der Größenordnung von bis zu 700 Bar speicherbar ist. Vorgesehen ist ein Kältespeicher, in welchem ein Teil der Kälte des von der Befüllstation zugeführten Energieträgers für eine zeitlich spätere Abkühlung des aus dem Drucktank entnommenen und dem Energiewandler zugeführten Energieträgers zumindest kurzzeitig speicherbar ist. Hierfür kann der Kältespeicher durch eine gegenüber der Umgebung isolierte Anhäufung eines eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweisenden Materials gebildet sein, durch welches der Energieträger hindurchgeführt ist.The invention relates to a motor vehicle having a pressure tank in which a gaseous energy source provided for an energy converter, in particular hydrogen, which is delivered cooled by a filling station, can be stored under high pressure of the order of magnitude of up to 700 bar. A cold storage is provided, in which part of the cold of the energy source supplied by the filling station can be stored, at least for a short time, for a later cooling of the energy removed from the pressure tank and supplied to the energy converter. For this purpose, the cold storage may be formed by an insulated from the environment accumulation of a high heat storage capacity having material through which the energy source is passed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Drucktank, in welchem ein gasförmiger für einen Energiewandler vorgesehener Energieträger, insbesondere Wasserstoff, der von einer Befüllstation gekühlt abgegeben wird, unter hohem Druck in der Größenordnung von bis zu 700 bar speicherbar ist. Zum Stand der Technik wird beispielshalber auf die DE 10 2013 001 676 A1 verwiesen, insbesondere auch deshalb, weil darin das Regelwerk SAE J2601 kurz dargestellt ist, dessen Inhalt auch für die vorliegende Erfindung eine Rolle spielt, soweit als Energieträger Wasserstoff zum Einsatz kommt. Der folgende Absatz ist daher unter Verwendung der vorliegend gewählten Begriffe der vorstehend genannten Schrift entnommen:
Fahrzeuge, die als Energieträger gasförmigen Wasserstoff tanken, benötigen speziell ausgebildete Tankstellen bzw. Befüllstationen, die den unter vergleichsweise hohem Druck stehenden Wasserstoff (z. B. 700 bar) in den Fahrzeug-Drucktank leiten. Um einen herstellerübergreifenden Standard für den Tankvorgang an besagten Tankstellen für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge zu schaffen, formulierte ein Konsortium das Regelwerk SAE J2601 . Dieser Standard gibt Richtlinien, sicherheitsrelevante Grenzen und Leistungsanforderungen für den Tankvorgang an besagten Tankstellen vor. So ist vorgesehen, dass mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge innerhalb von 3 Minuten auf 700 bar betankt werden, ohne dass dabei die Temperatur des Drucktanks über eine Temperatur von 85°C ansteigt (verursacht durch die rapide Druckerhöhung im Drucktank durch einströmenden Wasserstoff). Gleichzeitig wird verlangt, dass die Temperatur des Wasserstoffs während des Betankens bei Eintritt in den Drucktank –40°C nicht unterschreitet.The invention relates to a motor vehicle with a pressure tank, in which a gaseous energy carrier provided for an energy converter, in particular hydrogen, which is delivered cooled by a filling station, can be stored under high pressure of the order of magnitude of up to 700 bar. The prior art is by way of example on the DE 10 2013 001 676 A1 referred, in particular also because therein the rules SAE J2601 is briefly shown, the content of which also plays a role for the present invention, as far as hydrogen is used as an energy source. The following paragraph is therefore taken using the terms of the above-mentioned document:
Vehicles that fill up with gaseous hydrogen as an energy carrier require specially designed filling stations or filling stations, which conduct the hydrogen under relatively high pressure (eg 700 bar) into the vehicle's pressure tank. In order to create a manufacturer-independent standard for refueling at said filling stations for hydrogen-powered vehicles, a consortium formulated the regulations SAE J2601 , This standard specifies guidelines, safety limits and performance requirements for refueling at said service stations. Thus, it is envisaged that hydrogen-powered vehicles will be refueled within 3 minutes to 700 bar, without causing the temperature of the pressure tank above a temperature of 85 ° C increases (caused by the rapid increase in pressure in the pressure tank by inflowing hydrogen). At the same time it is required that the temperature of the hydrogen during refueling when entering the pressure tank does not fall below -40 ° C.

Ebenso existieren Regularien für die zugelassenen Temperaturschwankungen während des Betankens. Um sowohl die maximal zulässige Temperatur von 85°C während des Betankens nicht zu überschreiten und dabei gleichzeitig die limitierte Vorkühlung des Wasserstoffs von –40°C nicht zu unterschreiten, muss der Wasserstoff zum Betanken von Fahrzeug-Drucktanks daher u. a. innerhalb einer gewissen Zeitspanne (z. B. 25 s) in einen vergleichsweise schmalen Temperaturbereich von –40°C bis –33°C temperiert werden. Dabei kann die Temperatur des Wasserstoffs bspw. am Eintritt in einen zum Drucktank führenden Tankschlauch gemessen werden; alternativ im Falle einer sog. COM-Betankung, bei welcher während des Betankens ein Datenaustausch zwischen dem Fahrzeug und der Tankstelle erfolgt, kann auch die bei Eintritt in den Fzg.-Tank gemessene Wasserstoff-Temperatur berücksichtigt werden.There are also regulations for the permitted temperature fluctuations during refueling. In order not to exceed both the maximum allowable temperature of 85 ° C during refueling and at the same time not to fall below the limited pre-cooling of the hydrogen of -40 ° C, the hydrogen for refueling of vehicle pressure tanks therefore u. a. be tempered within a certain period of time (eg 25 s) in a relatively narrow temperature range of -40 ° C to -33 ° C. In this case, the temperature of the hydrogen can be measured, for example, at the inlet into a tank hose leading to the pressure tank; Alternatively, in the case of a so-called COM refueling, in which a data exchange between the vehicle and the gas station takes place during refueling, the hydrogen temperature measured when entering the Fzg tank can also be taken into account.

Ausgehend von diesem Stand der Technik sind die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf das Problem gestoßen, dass bei einer sich direkt an einen Befüllvorgang des Drucktanks anschließenden Entnahme von Wasserstoff (bzw. allgemein des Energieträgers; vorliegend wird im weiteren nur noch von Wasserstoff gesprochen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken) Bauelemente, welche den Wasserstoff zum Energiewandler führen und insbesondere der Energiewandler selbst, bei welchem es sich insbesondere um eine Brennstoffzelle handelt, durch die hohe Temperatur des entnommenen Wasserstoffs geschädigt werden können.Based on this prior art, the inventors of the present invention have encountered the problem that, in the case of a removal of hydrogen (or, more generally, of the energy carrier directly following a filling process of the pressure tank; To limit the invention) components, which lead the hydrogen to the energy converter and in particular the energy converter itself, which is in particular a fuel cell, can be damaged by the high temperature of the withdrawn hydrogen.

Dieses sofort nach einem Befüllvorgang des Tanks entnommene Wasserstoff-Gas kann nämlich nicht nur die genannte maximal zulässige Temperatur von 85°C besitzen, sondern aufgrund des sich bei der nötigen Druckabsenkung in einem Druckregler einstellenden Joule-Thomson-Effekts noch um bis zu 30° heißer sein.This hydrogen gas removed immediately after a filling operation of the tank can not only have the stated maximum permissible temperature of 85 ° C., but can even be up to 30 ° hotter due to the Joule-Thomson effect which occurs when the pressure is reduced in a pressure regulator be.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.To point out a remedy for this problem is the object of the present invention.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ist somit für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch einen Kältespeicher gekennzeichnet, in welchem ein Teil der Kälte des von der Befüllstation zugeführten Energieträgers für eine zeitlich spätere Abkühlung des aus dem Drucktank entnommenen und dem Energiewandler zugeführten Energieträgers speicherbar ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.The solution to this problem arises with the features of claim 1 and is thus characterized for a motor vehicle according to the preamble of claim 1 by a cold storage in which a part of the cold of the supplied from the filling energy source for a later cooling of the from the pressure tank removed and the energy converter supplied energy storage is storable. Advantageous embodiments and further developments are content of the dependent claims.

Es wurde erkannt, dass der mit 85°C als zulässig vorgegebene Maximalwert für diejenige Temperatur im Drucktank, die sich bei einem oder direkt anschließend an einen Befüllvorgang in diesem Tank einstellt, in vielen Fällen überhaupt nicht erreicht wird. Unter anderem gilt dies, wenn eine sog. nonCOM-Betankung, d. h. eine Befüllung oder Betankung ohne elektronischer Kommunikation bzw. Datenaustausch zwischen Fahrzeug und Tankstelle, durchgeführt wird. Künftige Betankungsvorgänge von Kraftfahrzeugen mit Hochdruck-Wasserstoff können nämlich – abhängig von der jeweiligen Ausrüstung der Tankstelle und des tankenden Fahrzeugs mit oder ohne elektronischer Kommunikation bzw. Datenaustausch zwischen der Tankstelle und dem Fahrzeug erfolgen. Im Falle einer COM-Betankung (mit Kommunikation) werden fahrzeugspezifische Daten (aus dem Fahrzeug-Drucktank wie dessen Volumen, darin herrschende(r) Druck und insbesondere Temperatur an die Tankstelle übermittelt. Anhand dieser Daten wird dann tankstellenseitig eine günstige Betankungsrampe gewählt, d. h. ein günstiger Massenstrom bei bestimmter Temperatur eingestellt, um idealerweise einen möglichst hohen oder sogar maximalen Befüllgrad des Fahrzeug-Drucktanks zu erreichen. Günstigerweise kann der Betankungsvorgang dann abgebrochen werden, wenn die Gefahr besteht, dass im Drucktank eine Temperatur höher 85°C entstehen kann. Bei einer nocCOM hingegen ist die von der Tankstelle gewählte Betankungsrampe nur von der Umgebungstemperatur abhängig, wobei stets ein gewisser Sicherheitsabstand zur zulässigen Maximaltemperatur vorgehalten wird.It was recognized that the maximum value of 85 ° C. for the temperature in the pressure tank which occurs during or immediately after a filling process in this tank is in many cases not achieved at all. Among other things, this applies if so-called nonCOM refueling, ie filling or refueling without electronic communication or data exchange between vehicle and gas station, is carried out. Namely, future refueling operations of high-pressure hydrogen vehicles may occur depending on the equipment of the gas station and the refueling vehicle with or without electronic communication between the gas station and the vehicle. In the case of a COM refueling (with communication), vehicle-specific data (from the vehicle pressure tank, such as its volume, prevailing pressure and, in particular, temperature) is transmitted to the filling station, on the basis of which data, a favorable refueling ramp is selected on the gas station side favorable mass flow at a certain temperature set to ideally to achieve the highest possible or even maximum filling level of the vehicle pressure tank. Conveniently, the refueling process can then be stopped if there is a risk that a temperature higher 85 ° C may arise in the pressure tank. In contrast, with a nocCOM, the refueling ramp selected by the filling station depends only on the ambient temperature, whereby a certain safety distance from the permissible maximum temperature is always maintained.

Sowohl bei einer nonCOM-Betankung als auch bei einer COM-Betankung steht somit Kältepotential aus dem dem Fahrzeug-Drucktank zugeführten Wasserstoff zur Verfügung. Bei einer COM-Betankung kann es in Ausnahmefällen dazu kommen, dass im Hinblick auf die Begrenzung der Maximaltemperatur im Tank seitens der Tankstelle eine geringfügig verlangsamte Betankungsrampe gefahren werden muss, jedoch steht diesem Nachteil der Vorteil einer größeren Bauteil-Sicherheit gegenüber, da gerade der direkt im Anschluss an einen Betankungs- oder Befüllvorgang aus dem Drucktank entnommene Wasserstoff besonders hohe Temperaturen besitzt und durch die notwendige Druckreduktion noch weiter erwärmt wird. Nach einem gewissen Zeitraum hingegen hat sich der im Drucktank befindliche Wasserstoff bereits geringfügig abgekühlt, so dass dann trotz Temperaturerhöhung beim Druckabbau vor der Zufuhr zum Energiewandler keine kritischen Temperaturen mehr zu befürchten sind. Mit vorliegender Erfindung kann also ein zeitlich äußerst kurz befristetes, aber dennoch ernst zu nehmendes Problem behoben werden, wenn denn ein Kältespeicher, der dem beim Betanken zugeführten kalten Wasserstoff einen Teil der Kältemenge entzieht, geeignet dimensioniert wird. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass derjenige Massenstrom, dem beim Betanken ein Bruchteil von Kältemenge entzogen wird, erheblich größer ist als derjenige Massenstrom, der mit der abgezogenen Kältemenge in einem relativ kurzen sich an eine Betankung anschließenden Zeitraum geringfügig abgekühlt werden soll. Die Entnahme von Kälte aus dem dem Drucktank zugeführten Energieträger/Wasserstoff schlägt in der Gesamtbilanz somit kaum zu Buche, wohingegen die Abkühlung einer erheblich geringeren Masse von aus dem Drucktank direkt im Anschluss an einen Betankungsvorgang entnommenem Wasserstoff von nennenswertem Ausmaß sein kann und einen erheblichen Sicherheitsgewinn bei den diesen entnommenen Wasserstoff führenden und verarbeitenden Bauteilen bietet.Thus, both nonCOM refueling and COM refueling have refrigeration potential available from the hydrogen supplied to the vehicle pressurized tank. In the case of a COM refueling, it may happen in exceptional cases that a slightly slow refueling ramp has to be run in order to limit the maximum temperature in the tank. However, this disadvantage is offset by the advantage of greater component safety, since this is precisely the case After a refueling or filling process, hydrogen taken from the pressure tank has particularly high temperatures and is heated further by the necessary pressure reduction. After a certain period of time, however, the hydrogen in the pressure tank has already cooled slightly, so that no critical temperatures are to be feared despite temperature increase during pressure reduction before the supply to the energy converter. With the present invention, therefore, a temporally extremely short-term, but still serious to be taken problem can be solved if a cold storage, which extracts a part of the amount of cold the refueling supplied cold hydrogen, is suitably dimensioned. It should be noted in particular that the mass flow, which is withdrawn during refueling a fraction of the amount of refrigerant is considerably greater than that of mass flow, which should be slightly cooled with the amount of refrigerant withdrawn in a relatively short time following a refueling period. The removal of cold from the pressure tank supplied energy / hydrogen thus hardly beats in the overall balance, whereas the cooling of a significantly lower mass of withdrawn from the pressure tank directly after a refueling process hydrogen can be of significant extent and a significant safety gain offers these taken out hydrogen leading and processing components.

Um den Bauaufwand gering zu halten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein gemeinsamer Abschnitt einer den Wasserstoff von der Tankstelle bzw. Befüllstation in den Drucktank hineinführenden Betankungsleitung und einer Entnahmeleitung, über die Wasserstoff aus dem Drucktank zum Energiewandler geführt wird, durch den Kältespeicher hindurch geführt ist. Damit ist jeweils ein direkter Wärmeübergang bzw. Kälteübergang ohne Umwege darstellbar. Um darüber hinaus die beim Befüllen oder Betanken zur Verfügung gestellte Kälte noch besser speichern zu können, kann zusätzlich zum vorstehend genannten Kältespeicher in der Betankungsleitung ein weiteres Kältespeicherelement vorgesehen sein, welches mit dem Kältespeicher aus Anspruch 1 in kälteübertragender (bzw. wärmeübertragender) Verbindung steht.In order to keep the construction costs low, it is preferably provided that a common section of a hydrogen from the gas station or filling station into the pressure tank leading refueling line and a withdrawal line through which hydrogen is passed from the pressure tank to the energy converter is passed through the cold storage , This is a direct heat transfer or cold transition without detours represented. Moreover, in order to be able to store even better the cold provided during filling or refueling, a further cold storage element can be provided in addition to the aforementioned cold storage in the refueling line, which is in cold transfer (or heat transferring) connection with the cold storage of claim 1.

Es kann der Kältespeicher und/oder das Kältespeicherelement als Latentwärmespeicher oder als thermochemischer Wärmespeicher ausgebildet sein, wobei diese beiden Ausführungsformen in der Lage sind, Kälte auch über einen längeren Zeitraum zu speichern. Da jedoch das eingangs geschilderte Problem wie bereits ausgeführt wurde insbesondere zeitlich direkt anschließend an einen Befüll- oder Betankungsvorgang und somit nur über einen kurzen Zeitraum auftritt, kann es auch ausreichend sein, wenn das Speichervermögen des Kältespeichers auf einen relativ kurzen Zeitraum beschränkt ist. Hierfür kann der Kältespeicher durch eine gegenüber der Umgebung isolierte Anhäufung eines eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweisenden Materials gebildet sein, durch welches der Wasserstoff sowohl beim Befüllen des Drucktanks, d. h. beim Betanken, als auch bei der Entnahme aus demselben hindurchgeführt wird. Im einfachsten Fall fungiert somit eine diesen Wasserstoff führende Leitung als erfindungsgemäßer Kältespeicher, wenn diese Leitung eine größere Wandstärke besitzt, als dies aus Festigkeitsgründen erforderlich wäre, und wenn diese Leitung oder ein entsprechender Abschnitt derselben derart intensiv gegenüber der Umgebung isoliert ist, dass sie als erfindungsgemäßer Kältespeicher dienen kann. Eine solche stärkere Isolation bietet im übrigen den Vorteil, dass von dem von der Tankstelle dem Drucktank zugeführten Wasserstoffstrom weniger Kältemenge an die Umgebung abgegeben wird als im Stand der Technik ohne erfindungsgemäßen Kältespeicher, so dass eine nachteilige Auswirkung des Kälteabgriffs im Hinblick auf eine günstige Betankungsrampe (vgl. hierzu die Schilderung weiter oben) praktisch nicht zu befürchten ist.It can be formed as a latent heat storage or as a thermochemical heat storage, the cold storage and / or the cold storage element, these two embodiments are able to store cold over a longer period. However, since the problem described above, as already stated, occurs in particular directly after a filling or refueling operation and thus only over a short period of time, it may also be sufficient if the storage capacity of the cold accumulator is limited to a relatively short period of time. For this purpose, the cold storage may be formed by an isolated from the environment accumulation of a high heat storage capacity having material through which the hydrogen both during filling of the pressure tank, d. H. when refueling, as well as when removing it from the same is passed. In the simplest case, therefore, a line carrying this hydrogen acts as a cold storage according to the invention, if this line has a greater wall thickness than would be required for reasons of strength, and if this line or a corresponding section thereof is so intensively isolated from the environment that they as inventive Cold storage can serve. Moreover, such a stronger insulation offers the advantage that less amount of refrigerant is released from the hydrogen stream fed to the pressure tank from the filling station than in the prior art without cold storage according to the invention, so that a disadvantageous effect of the cold tap with regard to a favorable fueling ramp (US Pat. see the description above) is practically not to be feared.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013001676 A1 [0001] DE 102013001676 A1 [0001]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • SAE J2601 [0001] SAE J2601 [0001]
  • SAE J2601 [0001] SAE J2601 [0001]

Claims (4)

Kraftfahrzeug mit einem Drucktank, in welchem ein gasförmiger für einen Energiewandler vorgesehener Energieträger, insbesondere Wasserstoff, der von einer Befüllstation gekühlt abgegeben wird, unter hohem Druck in der Größenordnung von bis zu 700 Bar speicherbar ist, gekennzeichnet durch einen Kältespeicher, in welchem ein Teil der Kälte des von der Befüllstation zugeführten Energieträgers für eine zeitlich spätere Abkühlung des aus dem Drucktank entnommenen und dem Energiewandler zugeführten Energieträgers speicherbar ist.Motor vehicle with a pressure tank, in which a gaseous for an energy converter provided energy source, in particular hydrogen, which is delivered cooled by a filling station, under high pressure in the order of up to 700 bar storable, characterized by a cold storage, in which a part of Refrigeration of the energy supplied from the filling station for a subsequent time cooling of the removed from the pressure tank and the energy converter supplied energy storage can be stored. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei ein gemeinsamer Abschnitt einer Betankungsleitung in den Tank und einer Entnahmeleitung aus dem Tank durch den Kältespeicher hindurch geführt ist.Motor vehicle according to claim 1, wherein a common portion of a refueling line is guided in the tank and a withdrawal line from the tank through the cold storage. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, wobei in der Betankungsleitung ein weiteres Kältespeicherelement vorgesehen ist, welches mit dem Kältespeicher aus Anspruch 1 in kälteübertragender Verbindung steht.Motor vehicle according to claim 2, wherein in the refueling line, a further cold storage element is provided which communicates with the cold storage of claim 1 in cold-transmitting connection. Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kältespeicher und/oder das Kältespeicherelement als Latentwärmespeicher oder als thermochemischer Wärmespeicher ausgebildet ist und/oder durch eine gegenüber der Umgebung isolierte Anhäufung eines eine hohe Wärmespeicherkapazität aufweisenden Materials gebildet ist.Motor vehicle according to one of the preceding claims, wherein the cold storage and / or the cold storage element is designed as a latent heat storage or as a thermochemical heat storage and / or by an isolated from the environment accumulation of a high heat storage capacity having material is formed.
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